Нефть, її свойства

Бурхливий науково-технічний прогрес і високих темпів розвитку різних галузей науку й світового господарства за XIX — XX ст. сприяли різкого збільшення споживання різних з корисними копалинами, особливу увагу серед яких посіла нефть.

Нафта почали добувати березі Євфрату за 6 — 4 тис. років до нашої ери. Використовувалася вона й якість ліків. Давні єгиптяни використовували асфальт (окисленную нафту) для бальзамування. Нафтові бітуми використовувалися на приготування будівельних розчинів. Нафта входило у склад «грецького вогню». У середньовіччі нафту використовувалася висвітленню у низці міст на Близькому Сході, Південної Італії та ін. На початку ХІХ ст. в Росії, а середині ХІХ ст. і в Америці з нафти шляхом сублімації було отримано гас. Він використовувався у лампах. До середини в XIX ст. нафту добувалася в невеликих кількостях з глибоких криниць поблизу природних виходів її на поверхню. Винахід парового, та був дизельного і бензинового двигуна призвело до бурхливого розвитку нафтовидобувної промышленности.

Нафта — це масляниста пальна рідина, що має специфічним запахом, зазвичай коричневого кольору, з зеленкуватим або іншими відтінком, коли майже чорна, дуже рідко бесцветная.

ХІМІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ І СПОЛУКИ У НЕФТЯХ.

Нафти складаються головним чином із вуглецю — 79,5 — 87,5% і водню — 11,0 — 14,5% від безлічі нафти. Крім лідерів в нефтях присутні ще три елемента — сірка, кисень і азот. Їх загальна кількість зазвичай становить 0,5 — 8%. У незначних концентраціях в нефтях зустрічаються елементи: ванадій, нікель, залізо, алюміній, мідь, магній, барій, стронцій, марганець, хром, кобальт, молібден, бір, миш’як, калій та інших. Їх загальний вміст не перевищує 0,02 — 0,03% від безлічі нафти. Зазначені елементи утворюють органічні та неорганічні сполуки, у тому числі складаються нафти. Кисень і азот перебувають у нефтях лише у пов’язаному стані. Сірка може зустрічатися у вільному змозі або входити до складу сероводорода.

Углеводородные соединения.

До складу нафти входить близько 425 вуглеводневих соединений.

Нафта у природних умовах складається з суміші метанових, нафтеновых і ароматичних вуглеводнів. По углеводородному складу все нафти поділяються на: 1) метаново-нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3) ароматическо-нафтеновые, 4) нафтеново-ароматические, 5) ароматическометанові, 6) метаново-ароматические і аналогічних сім) метаново-ароматическо-нафтеновые. Першим на цієї класифікації ставиться назва вуглеводнів, зміст що його складі нафти меньше.

У нафти також певна кількість твердих і газоподібних розчинених вуглеводнів. Кількість газу в кубометри, розчиненої один тонн нафти в шарових умовах, називається газовим фактором.

У нафтових (попутних) газах крім метану та її газоподібних гомологов містяться пари пентана, гексана і гептана.

Гетеросоединения.

Поруч із вуглеводнями в нефтях присутні хімічні сполуки інших класів. Зазвичай, усе ці класи об'єднують до однієї групи гетеросоединений (грецьк. «гетерос» — другой).

У нефтях також виявлено більш 380 складних гетеросоединений, у яких до вуглеводневим ядрам приєднано такі елементи, як сірка, азот і кисень. Більшість із зазначених сполук належить до класу сірчистих сполук — меркаптанів. Це дуже слабкі кислоти з неприємним запахом. З металами вони утворюють солеобразные сполуки — меркаптиды. У нефтях меркаптани є сполуки, у яких до вуглеводневим радикалам приєднана група SH.

Рис. 1. Метилмеркаптан.

Меркаптаны роз'їдають труби й те металеве устаткування бурових установок. Головну масу неуглеводородных сполук, у нефтях становлять асфальтовосмолисті компоненти. Це темно-окрашенные речовини, містять крім вуглецю і водню кисень, азот і на сірку. Вони представлені смолами і асфальтенами. Смолисті речовини укладають близько 93% кисню в нефтях. Кисень в нефтях є у пов’язаному стані також у складі нафтеновых кислот (близько 6%) — [pic], фенолів (трохи більше 1%) — [pic], а також жирних кислот та його похідних — [pic](Р). Зміст азоту в нефтях вбирається у 1%. Основне його маса міститься у смолах. Зміст смол в нефтях може становити 60% від безлічі нафти, асфальтенов — 16%.

Асфальтены є чорне тверду речовину. По складу вони подібні зі смолами, але характеризуються іншими співвідношеннями елементів. Вони відрізняються великим змістом заліза, ванадію, нікелю та інших. Якщо смоли розчиняються в рідких вуглеводнях всіх груп, то асфальтены нерозчинні в метанових вуглеводнях, частково розчиняються у нафтеновых і від розчиняються в ароматичних. У «білих» нефтях смоли зберігають у малих кількостях, а асфальтены взагалі отсутствуют.

ПОХІДНІ НЕФТЕЙ.

У 1888 р. запропоновано називати все горючі копалини каустобиолитами. Вони поділяються на дві групи: вугілля і бітуми. До битумам (латів. «битумен» — смола) віднесли нафта та природний горючі гази, і навіть тверді речовини, родинні нефтям. При класифікації похідних нафти виділяють дві галузі. Один із них об'єднує послідовні продукти зміни нафт з нафтеновым підставою — мінерали асфальтового низки. До другої галузі ставляться продукти зміни нафт з парафиновым підставою — мінерали парафинового ряда.

Продукти зміни нафт з нафтеновым підставою поділяють втричі групи: групу асфальтів, групу асфальтитов і групу керитов. До першої групи входять мальти і асфальти. Мальти — чорні, дуже густі смолисті нафти. Вони багате на сірку і киснем. Асфальти є буро-черные чи чорне грузлі, злегка еластичні чи тверді аморфні речовини. Асфальтиты від асфальтів більшої твердістю, крихкістю та набуттям більшої обогащенностью смолисто-асфальтовыми компонентами. Мальти, асфальти і асфальтиты повністю розчиняються в органічних розчинниках. На відміну від нього кериты (нафтові вугілля) не плавляться і розчиняються в органічних растворителях.

Основними продуктами зміни нафт з парафиновым підставою є озокериты. Це — воскообразные речовини щільністю менше одиниці. Вони добре розчиняються в бензині, бензолі, скипидарі і сероуглероде. Вони легко спалахують і горять яскравим коптящим полум’ям. Озокерит — це суміш алканов від [pic] до [pic]. Побічні компоненти представлені мастилами, смолами і асфальтенами.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НЕФТЕЙ.

Найголовнішим властивістю нафти, котрі принесли їм б світової слави виняткових енергоносіїв, був частиною їхнього здатність виділяти при згорянні значне кількість теплоти. Нафта та її похідні мають найвищої серед усіх видів палив теплотою згоряння. Теплота згоряння нафти — 41 МДж/кг, бензину — 42 МДж/кг. Важливими показниками для нафти є температура кипіння, яка від будівлі входять до складу нафти вуглеводнів і коштує від 50 до 550 °C.

Нафта, як і кожна рідина, при певної температурі закипає і перетворюється на газоподібне стан. Різні компоненти нафти переходить до газоподібне стан при різної температурі. Так, температура кипіння метану -161,5°С, етана -88°С, бутану 0,5 °С, пентана 36,1°С. Легкі нафти киплять при 50−100°С, важкі - за нормальної температури більш 100 °C.

Різниця температур кипіння вуглеводнів використовується потреби ділити нафти температурні фракції. При нагріванні нафти до 180−200°С википають вуглеводні бензинової фракції, при 200−250°С — лигроиновой, при 250−315°С — керосиново-газойлевой і за 315−350°С — олійною. Залишок представлений гудроном. До складу бензинової і лигроиновой фракцій входять вуглеводні, містять 6−10 атомів вуглецю. Гасова фракція складається з вуглеводнів з [pic], газойлевая — [pic] і т.д.

Важливим є властивість нафт розчиняти углеводородные гази. У 1 м³ нафти може розчинитися до 400 м³ горючих газів. Важливе значення має з’ясування умов розчинення нафти і природних газів у воді. Нафтові вуглеводні розчиняються у питній воді дуже мала. Нафти різняться по щільності. Щільність нафти, вимірюваною при 20° С, віднесеної до щільності води, вимірюваною при 4 °C, називається відносної. Нафти відносною щільністю 0,85 називаються легкими, відносною щільністю від 0,85 до 0,90 — середніми, і з відносної щільністю понад 0,90 — важкими. У важких нефтях зберігають у основному циклічні вуглеводні. Колір нафти залежить від неї щільності: світлі нафти мають меншою щільністю, ніж темні. І чим більше коштів у нафти смол і асфальтенов, тим більша її щільність. При видобутку нафти важливо знати її в’язкість. Розрізняють динамічну і кінематичну в’язкість. Динамічної в’язкістю називається внутрішнє опір окремих частинок рідини руху загального потоку. У легких нафт в’язкість менше, ніж в важких. При видобутку й подальшої транспортуванні важкі нафти підігрівають. Кинематической в’язкістю називається ставлення динамічної в’язкості до щільності середовища. Велике значення має тут знання поверхового натягу нафти. При зіткненні нафти та води з-поміж них виникає поверхню типу пружною мембрани. Капілярні явища використовуються при видобутку нафти. Сили взаємодії води з гірської породою більше, ніж в нафти. Тому вода здатна витіснити нафту з дрібних тріщин до більших. Для збільшення нафтовіддачі пластів використовуються спеціальні поверхнево-активні речовини (ПАР). Нафти мають неоднакові оптичні властивості. Під впливом ультрафіолетового проміння нафту здатна світитися. У цьому легкі нафти світяться блакитним світлом, важкі - бурим і желто-бурым. Це використовується у пошуку нафти. Нафта є діелектриком і має високе удільне опір. У цьому засновані электрометрические методи встановлення розрізі, розкритому бурової свердловиною, нафтоносних пластов.

ОСНОВНІ КОНЦЕПЦІЇ ПОХОДЖЕННЯ НЕФТЕЙ.

Є дві теорії походження нафти: биогенная і абиогенная. Прибічники першої - органіки — вважають, що нафта утворилася в осадочном чохлі земної кори внаслідок глибокого перетворення тварин і звинувачують рослинних організмів, жили мільйони тому. Інші - неорганики — доводять, що нафта утворилися в мантії землі неорганічним шляхом. Відповідь це питання відповість в інший питання: у яких конкретних точках утворюється нефть?

ОРГАНІЧНА КОНЦЕПЦИЯ.

Органічна концепція починає розвиватися після створення роботи М. У. Ломоносова про нафту. Він: «Упевнитися можемо про походження цих горючих підземних матерій з зростаючих речей їх легкістю». Прибічники органічної концепції також сперечалися у тому, що було вихідним речовиною для нафти: рослини чи тварини? Перемогли ті, хто стверджував: й рослини, і домашні тварини. Іншим предметом спору було місце залягання нафти. Одні вчені вважали, що нафту залягає там-таки, що й утворилася, інші, що нафта утворилася в одному місці ми, а зібралася й інші. Перемогла друга точка зрения.

Органічна концепція свого розвитку спирається на геологічні спостереження. Так, 99,9% відомих скупчень нафти приурочено до осадочным толщам. Тому науковці вважають, що нафта є продуктом процесу осадонакопления. Встановлено, що поклади нафти перебувають у лінзах проникних порід, оточених непроникними породами.

Цікавими виявилися результати дослідження осадових порід. Так було в глині в 2−4 рази більше органічного речовини, ніж у піску. Дане органічна речовина (ВВ) підрозділяється втричі фракції: битумоиды, гуминовые кислоти і кероген. Битумоиды подібні за складом з нефтями в покладах. Вони сягають 10−15% ВВ. Битумоиды на 5−55% складаються з вуглеводнів. Тому що більше вуглеводнів в осаді, то багатша ці породи битумоидами. ВВ полягає на 15−20% з гумінових кислот. Нерозчинне осадове органічна речовина називається керогеном. Кероген подібний за складом з бурим вугіллям. ВВ полягає на 70−80% з него.

Битумоиды розсіяного ВВ подібні липоидам — жирами, що складається з довгим вуглецевих ланцюгів. Звідси зроблено висновок: липоиды, синтезовані організмами, є джерелом битумоидов в опадах. Нині вважатимуться доведеною можливість освіти вуглеводнів з липоидов, білків і вуглеводів. Липоиды за своїм хімічним складу стоять найближена до сполукам, які входять у склад нафти. Деякі учені гадають, що вони саме механічне накопичення вуглеводнів, потрапляють з живого речовини в осад, можуть призвести до утворення нафти. На процес походження нафти також впливають гірські породи. Так, алюмосиликаты, із яких складається глина, є каталізаторами у процесі утворення нафти. І саме у глинистих породах відбувається перетворення розсіяного ОВ.

З позицій сучасної органічної позиції нафту утворюється наступним образом.

Моря і озера населені планктоном. Після його відмирання залишки рослин i тварин організмів падають на дно, створюючи товстий шар мулу. Після цього починається біохімічна стадія освіти нафти. Мікроорганізми при обмеженому доступі кисню переробляють білки, вуглеводи тощо. При ютом утворюються метан, вуглекислий газ, вода і трохи вуглеводнів. Ця стадія відбувається у кількох кілометрів від дна моря. Потім осад ущільнюється: відбувається диагенез. Починаються хімічні реакції між речовинами під впливом температури і тиску. Складні речовини розкладаються більш прості. Біохімічні процеси загасають. З збільшенням глибини зростає зміст розсіяною нафти. Так, на глибині до 1,5 км йде газообразование, на інтервалі 1,5−8,5 км йде освіту рідких вуглеводнів — микронефти — за нормальної температури від 60 до 160 °C. На великих глибинах за нормальної температури 150 -200°С утворюється метан. Принаймні ущільнення мулів микронефть вичавлюють в вышележащие пісковики. Це процес первинної міграції. Потім під впливом різних сил микронефть переміщається вгору по нахилу. Це вторинна міграція, що є періодом формування самого месторождения.

НЕОРГАНІЧНА КОНЦЕПЦИЯ.

Є кілька варіантів концепції неорганічної походження нефти.

Найбільш послідовної є мінеральна (карбидная) гіпотеза Менделєєва. Менделєєв доводить, що з освіті нафти головним залишком розкладання є вугілля, а Пенсільванії та Канади нафту є у девонських і силурийских пластах, вугілля не заключающих. З тваринного жиру нафту теж могла статися, оскільки вони дали багато азотистих сполук, яких не в нафті. Причому запаси величезні, і їхнього освіти потрібно було багато жирів. Менделєєв вважає, що вода, проникаючи глибоко у землі і зустрічаючи там углеродистое залізо, реагує з нею і дає окисли і вуглеводні (пари нафти). Вони піднімалися до холодних верств населення та давали нафта і природний, а то й було б перешкод, піднімалися на поверхню. Прибічники органічної концепції визнають, що Менделєєвим «вперше серйозно й науково було порушене питання про генезисі нефти».

1950;го р. професор Кудрявцев висунув магматичну гіпотезу освіти нафти. Кудрявцев вважає, що у мантії Землі за високої температурі утворюються углеводородные радикали СП, СН2 і СН3. У результаті перепаду тиску вони переміщаються ближчі один до земної поверхні. Через війну зниження температури радикали реагують між собою й воднем, створюючи дуже багато прості і складні вуглеводнів. До них додаються вуглеводні, отримані з окису вуглецю і водню. Подальше рух вуглеводнів, обумовлене величезним перепадом тисків і різницею тисків нафти та води, іде за рахунок заповненим водою тріщинам і призводить їх у поверхню чи пастки (частина природного резервуара, у якій може встановитися рівновагу між газом, нафтою та водой).

Є й космічна гіпотеза неорганічної походження нафти. Відповідно до даної гіпотезі, Земля при остиганні та формування її як планети захопила водень з первинної газової матерії. Цей водень, переміщуючись по глибинним розламах на поверхню, входить у реакцію з вуглецем рідкої магми і утворить нафтові углеводороды.

Неорганічна концепція, як і і органічна, спирається на спостереження. Так, відомі близько 30 покладів нафти, присвячених до изверженным і метаморфическим породам. Підраховано, це щороку вулкани викидають близько 3,3Ч105 т углеводородов.

Аби довести карбідної теорії на чавун діяли соляної і сірчаної кислотами, було отримано водень і суміш вуглеводнів, мають запах нефти.

* * *.

Нині пануючій є органічна концепція. Вона відрізняється більшої стрункістю, зрілістю і завершенностью суджень. У рамках неорганічної концепції є кілька гіпотез, часом взаємовиключних друг друга.

ПЕРЕРОБКА НЕФТИ.

Нафта, отримувана безпосередньо з свердловин, називається сирої. У різних галузях народного господарства застосовуються як сиру нафту, і різні продукти, отримані з неї результаті переработки.

Нині з нафти шляхом складної багатоступінчастої переробки витягається багато складових частей.

У процесі первинної переробки з нафти видаляють пластову води і неорганічні речовини. Перед перегонкою в ректифікаційної колоні нафту нагрівають до 350 °C, які були відігнавши з нафти леткі вуглеводні. Першими переходить до парообразное стан і отгоняются вуглеводні з невеликою кількістю атомів вуглецю. З підвищенням температури суміші перегоняются вуглеводні з вищої температурою кипіння. Під час такої перегонці отримують такі фракції (суміш рідин з близькими температурами кипіння, отримана внаслідок первинної перегонки). 1. Газолінова фракція, встановлена від 40 до 200 °C, містить вуглеводні от.

[pic] до [pic]; при подальшої перегонці отримують газолин, бензин тощо. 2. Лигроиновая фракція, встановлена не більше від 150 до 250 °C, містить вуглеводні від [pic] до [pic]; нафта застосовується як пальне для тракторів. 3. Гасова фракція, встановлена від 180 до 300 °C, містить вуглеводні від [pic] до [pic]; гас після очищення використовують як пальне для тракторів, реактивних літаків і ракет. 4. Газойлевая фракція, встановлена понад 275 °C; газойль — дизельне топливо.

— використовують у дизельних двигунах. 5. Залишок після перегонки нафти — мазут. Мазут — це олію, що складається з вуглеводнів, містять до сорока атомів вуглецю. Температура кипіння мазуту — понад 350 °C. У його повторної перегонці отримують мастила, парафіновий віск і асфальт (бітум). Мастильні олії - суміш нелетучих рідин, отриманих при перегонці мазуту на вакууме.

Парафіновий віск — м’яке тверду речовину, яке відділяють від мастильного олії після перегонки мазуту на вакуумі. Бітум — рідина, яка залишається після перегонки мазуту на вакуумі. Це дьоготь, чорне, полутвердое за нормальної температури 20° С вещество.

Головна вада перегонки нафти — малий вихід бензину (трохи більше 20%). Його вихід можна збільшити з допомогою крекінгу й риформінгу. Крекінг — це реакція, коли він розриваються довгі ланцюга алканов й утворяться більш легкі алканы і алкены. Риформингом називається процес облагородження бензину, у якому бензин виходить легке фракцій шляхом розриву прямий ланцюга молекул алканов і перетворення на молекули з розгалуженими ланцюгами. Крекінг проводиться за високої температури (термічний тріщання) чи присутності каталізатора (каталітичний тріщання). Бензин, отриманий з допомогою каталітичного крекінгу, має більшої детонаційної стійкістю, оскільки у ньому велике кількість розгалужених вуглеводнів. Такий бензин більш стійкий при зберіганні. Якість бензину визначається з його октановому числу. Воно змінюється від 0 до 100 і збільшується під час використання антидетонаторов, наприклад, тетраетилсвинець [pic].

При температурі 700 °C і від відбувається піроліз нафти — розкладання органічних речовин без доступу повітря. Головними продуктами піролізу є непредельные газоподібні (етилен, ацетилен) і ароматні (толуолу, бензол та інших.) углеводороды.

ВИКОРИСТАННЯ ПРОДУКТІВ ПЕРЕРОБКИ НЕФТИ.

Нині з нафти отримують тисячі продуктів. Основними групами є рідке паливо, газоподібне паливо, тверде паливо (нафтової кокс), мастильні і спеціальні олії, парафины і церезины, бітуми, ароматичні сполуки, сажа, ацетилен, етилен, нафтові кислоти та його солі, вищі спирти і т.д.

Найбільше застосування продукти нафтопереробки знаходять у топливноенергетичної галузі. Наприклад, мазут має майже у півтора разу більше високої теплотою згоряння проти найкращими видами вугілля. Він займає мало місця при згорянні не дає твердих залишків при горінні. Заміна твердих видів палива мазутом на ТЕС, заводах і залізничному і водному транспорті дає величезну економію коштів, сприяє швидкому розвитку основних галузей в промисловості й транспорта.

Енергетичне направлення у використанні нафти досі залишається головним в усьому світі. Частка нафти на світовому енергобалансі становить понад 46%.

Однак у останні роки продукти нафтопереробки дедалі ширше використовуються як для хімічної промисловості. Близько 8% видобутої нафти споживаються як для сучасної хімії. Наприклад, етиловий спирт застосовується приблизно 150 галузях виробництва. У хімічної промисловості застосовуються формальдегід (HCHO), пластмаси, синтетичні волокна, синтетичний каучук, аміак, етиловий спирт і т.д.

Продукти нафтопереробки застосовуються й у сільське господарство. Тут використовуються стимулятори зростання, протравители насіння, отрутохімікати, азотні добрива, сечовина, плівки для парників тощо. У машинобудуванні й металургії застосовуються універсальні клеї, деталі частини апаратів з пластмас, мастила та інших. Широке застосування знайшов нафтової кокс, як анодная маса при электровыплавке. Пресована сажа йде вогнестійкі обкладки в печах. У харчової промисловості застосовуються поліетиленові упаковки, харчові кислоти, консервирующие кошти, парафін, виробляються білково-вітамінні концентрати, вихідним сировиною котрим служать метиловий і етиловий спирти і метан. У фармацевтичної і парфюрмерной промисловості з похідних нафтопереробки виготовляють нашатирний спирт, хлороформ, формалін, аспірин, вазелін та інших. Похідні нефтесинтеза знаходять широке застосування й у деревообробної, текстильної, шкіряно-взуттєвої та будівельної промышленности.

Хімізація нафти дозволила зменшити витрати продуктів харчування на технічні цели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Нафта (та газу) залишаться у недалекому майбутньому основою забезпечення енергією народного господарства і сировиною нефтегазохимической промисловості. Тут багато залежати від успіхів у галузі пошуків, розвідування й розробки нафтових (і газових) родовищ. Але ресурси нафти (і є) в природі обмежені. Бурхливий нарощування впродовж останніх десятиліть їх видобутку призвело до відносного виснаження найбільших і сприятливо розташованих месторождений.

У проблемі раціонального використання нафти (і є) велике значення має підвищення коефіцієнта їх корисного використання. Одна з основних напрямів тут передбачає поглиблення рівня нафтопереробки з метою забезпечення потреб країни у світлих нафтопродукти і нафтохімічному сировину. Іншим ефективним напрямом стало зниження питомої витрати палива виробництва теплової та електричної енергії, і навіть повсюдне зниження питомої витрати електричної й теплової енергії у всіх ланках народного хозяйства.

Использованная література: 1) Судно М. М. Нафта і горючі гази в світі. — М.: Надра, 1984. 2) Хімія. Шкільний ілюстрований довідник. — М.: Росмэн, 1995. 3) Рудзитис Р. Є., Фельдман Ф. Р. Органічна хімія: підручник для 10 кл. середовищ. шк. — М.: Просвітництво, 1991.

[pic] ———————————- [pic].

[pic].